Article
  • Preparation of Nanofibrillated Cellulose and Its Effect on the Properties of PVA Composite Film

  • Hyun Jin Woo and Joon Ho Kim*,†

  • Department of Advanced Organic Materials, Yeungnam University, Gyeongsan 38541, Korea
    *School of Chemical Engineering, Yeungnam University, Gyeongsan 38541, Korea

  • 나노피브릴화 셀룰로오스의 제조 및 PVA 복합필름의 성질에 미치는 효과

  • 우현진 · 김준호*,†

  • 영남대학교 대학원 유기신소재공학과, *영남대학교 공과대학 화학공학부

Abstract

The fibrillation of cellulose from eucalyptus kraft pulp was obtained by oxidation treatment with 2,2,6,6-tetramethyl-1-piperidinyloxy (TEMPO) as chemical pretreatment at pH 10. The chemically-treated cellulose was followed by mechanical treatments such as ultrafine grinding or high-pressure homogenization treatments to yield nanofibrillated cellulose (NFC). The morphology, carboxyl group content, and rheological properties of the prepared NFC were measured. Poly(vinyl alcohol) (PVA) composite films containing small amount of NFC were prepared and the optical and mechanical properties of the films were evaluated. The fiber thickness of NFC decreased with increasing pass number of mechanical treatments. The mechanical properties of the PVA/NFC composite films were the best at 0.05 wt% of NFC content. The film showed small decrease in the optical transmittance with increase in the added amount of NFC.


Eucalyptus 크라프트 펄프를 2,2,6,6-tetramethyl-1-piperidinyloxy(TEMPO)로 처리하여 셀룰로오스를 부분 산화시킨 후, 초미세분쇄기, 고압 균질화기 등의 기계적 처리로 나노피브릴화 셀룰로오스(NFC)를 제조하였다. NFC의 형태, 카복시기 함량, 유변학적 특성 등을 측정하였으며, NFC가 소량 혼합된 PVA 복합필름을 제조하여 광학적 특성과 기계적 성질 등을 평가하였다. 나노피브릴화 셀룰로오스의 섬유직경은 기계적 처리 횟수가 증가함에 따라 감소하였다. PVA/NFC 복합필름의 기계적 특성은 NFC 함량 0.05 wt%에서 가장 우수하였으며, 극소량의 NFC의 첨가로도 필름의 기계적 특성은 상당한 수준으로 향상되었으며, NFC 첨가에도 불구하고 PVA 필름의 광투과도의 손실은 크지 않았다.


Keywords: nanofibrillated cellulose, TEMPO-oxidation, ultrafine grinder, high-pressure homogenizer, PVA film.

서 론

셀룰로오스는 자연에서 쉽게 구할 수 있는 풍부한 천연 소재이며, 친환경적이고 재생이 가능하며, 생분해성이 뛰어난 장점을 가지고 있다. 나노피브릴화된 셀룰로오스는 고강도를 갖는 것으로 알려져 있어 최근 식물세포벽으로부터 마이크로 피브릴을 분리하여 복합재의 보강재로 사용하는 연구가1,2 진행되고 있다. 나노피브릴화 셀룰로오스(NFC)는 기계적 처리로 제조된다. 그러나 셀룰로오스 섬유소는 화학 구조상 수소결합에 의해 강하게 연결되어 있어 기계적 처리만으로 셀룰로오스 피브릴을 제조하는 것은 에너지 소모가 높아 전처리 과정을 통한 후, 후처리로 기계적 처리를 하는 방법이 주로 사용되고 있다. 전처리 과정에서 셀룰로오스의 표면을 개질하여 수산기의 강한 결합을 막음으로써 피브릴화를 유도할 수 있다.1 이번 실험에서 화학적 처리 방법으로 사용한 TEMPO는 산화제의 한 종류로서, 물에 잘 용해되며, 일반적으로 온화한 조건에서 처리가 가능하다. TEMPO 산화 처리는 pH 10의 조건에서 니트로실 이온으로 산화되어 NaClO를 첨가함으로써 셀룰로오스의 수산기와 반응하고, 수산기를 카복시기로 치환하여 섬유의 표면에 음전하를 부여한다.2 음이온성의 증가는 섬유간에 반발력을 만들어 쉽게 피브릴화 할 수 있어 기계적 에너지 소모를 줄일 수 있다.3 나노피브릴화 셀룰로오스는 강한 네트워크를 형성하여 복합재료의 보강재로 사용될 경우 기계적 특성을 향상시킬 수 있다. 특히 수용성 고분자인 poly(vinyl alcohol)(PVA)은 생분해성, 생체 적합성을 가지며, 필름은 광학적 특성과 기계적 성질이 우수하다. 또한 PVA의 화학구조에 존재하는 수산기(-OH)는 셀룰로오스 나노섬유의 표면과의 화학적 친화성 때문에 강한 분자간 결합을 형성하게 되어 기계적 강도의 증가를 유도할 수 있어 셀룰로오스 나노복합재료의 연구에 많이 이용되고 있다.4,5
나노피브릴화 셀룰로오스는 피브릴을 형성함으로써 점도가 높아지며 젤형 물질로 제조된다. 이는 나노복합재료 제조시 첨가제로 사용될 때 분산공정에서 문제를 일으킬 수 있다. 따라서 유변학적 특성을 파악할 필요가 있다.6,7
이 연구에서는 목재 펄프로부터 얻은 셀룰로오스 소재를 이용하여 TEMPO 전처리 후 기계적으로 처리하는 방식의 다양한 공정들로 피브릴화하여 마이크로 혹은 나노 크기의 셀룰로오스 섬유를 제조한 다음, 이를 PVA에 첨가하여 복합 필름을 제조하여 그 특성을 평가하였다. 광학용으로 사용되는 PVA 필름의 광투과도 손실을 최소화하면서 기계적 물성을 향상시키는 것을 목적으로 여러 가지 공정인자들을 변경하고 그에 따른 물성의 변화를 분석하여 NFC의 첨가에 따른 효과들을 평가하였다.

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  • Polymer(Korea) 폴리머
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    ISSN 0379-153X(Print)
    ISSN 2234-8077(Online)
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This Article

  • 2018; 42(1): 52-58

    Published online Jan 25, 2018

  • 10.7317/pk.2018.42.1.52
  • Received on Jun 22, 2017
  • Revised on Aug 7, 2017
  • Accepted on Aug 10, 2017

Correspondence to

  • Joon Ho Kim

  • School of Chemical Engineering, Yeungnam University, Gyeongsan 38541, Korea

  • E-mail: joon@yu.ac.kr